9-2022

Elektromechanik Bild 6:

Elektromechanik Bild 6: Schliffbild zweiteiliger Steckverbinder vs. einteiliger flexilinkb-t-b nach Verguss presszone flexibel, damit die Leiterplatte durch die physikalischen Kräfte beim Einpressvorgang nicht verformt wird. Die Verformung beschränkt sich daher auf die Einpresszone (Bild 8). Es entsteht eine Kaltverschweißung zwischen Kontaktstift und metallisiertem Leiterplattenloch: eine gasdichte, korrosionssichere, niederohmige und elektrisch gut leitende mechanische Verbindung, die sich auch für den Verguss eignet. Sie wird darüber hinaus in der DIN EN 60352-5 spezifiziert und bleibt auch bei sehr hohen mechanischen und thermischen Belastungen, wie Vibration, Biegung und starken Temperaturwechseln kontaktsicher und hält sogar Schockbelastung von bis zu 200g stand. Aufgrund ihrer hervorragenden Robustheitseigenschaften und der zehnmal besseren Ausfallrate (FIT- Rate) als automatisiert gelötete Steckverbinder, kommt die Einpresstechnik gerne in Hochsicherheitsanwendungen zum Einsatz, bei denen eine Signalübertragung unter keinen Umständen unterbrochen werden darf, beispielsweise in Airbag-Systemen oder ABS- und ESP-Modulen. Ausnahmen Doch nicht immer ist die Einpresstechnik geeignet, beispielsweise, wenn Leiterplatten beidseitig bestückt werden sollen oder der Mindestabstand zu Bauteilen in Kraftrichtung nicht eingehalten werden kann. Eine weitere Möglichkeit, eine zuverlässige und haltbare Verbindung zwischen Steckverbinder und Leiterplatte herzustellen, ist dann die Surface-Mount-Technologie (SMT). Mittels Lotpaste werden dabei die Steckverbinder auf definierte Anschlussflächen der Leiterplatte, den Lötpads, gelötet. Erst in einem sogenannten Reflow-Ofen wird das Lötmittel zum Aufschmelzen und anschließend zum Aushärten gebracht. Durch SMT lassen sich stabile Verbindungen zwischen Stecker und Leiterplatte realisieren. Dazu müssen jedoch einige Kriterien erfüllt sein: Zunächst ist für eine normkonforme IPC-A-610-Lötstelle das richtige Verhältnis von Lötfuß, Lötpad und Lotpaste einzuhalten. Nur so wird eine qualitativ hochwertige Verbindung hergestellt, die einen Anschluss nach IPC-Klasse 3 ermöglicht, sich also für den Einsatz in der Hochleistungselektronik eignet. Ausfälle in der Signalübertragung müssen in dieser Klasse zu jeder Zeit ausgeschlossen sein. Eine optimale Lötverbindung erkennt man an der gleichmäßigen Meniskusausbildung. Der Kontakt muss umlaufend mit Lötmenikus umschlossen sein, um die besten Haltekräfte auf der Leiterplatte zu erreichen (Bild 9). Die Koplanarität der Kontaktfüße ist dabei Voraussetzung für eine Bild 7: Der Einpressvorgang hervorragende Verbindung. Sind all diese Voraussetzungen erfüllt, können SMT-Stecker nachweislich mechanische Belastungen von bis zu 400 N standhalten. Einflussfaktor Isolierkörperdesign Die Isolierkörpergeometrie eines Steckverbinders hilft darüber hinaus, die Kontakte davor zu schützen, im Betrieb oder bei der Installation Schaden zu nehmen. Sie sollte dabei so beschaffen sein, dass die vulnerablen Kontakte im Inneren des Steckverbinders geschützt liegen. Durch Einführschrägen können außerdem Beschädigungen bei der Montage vermieden werden. Sie helfen, einen Versatz der Leiterplatten beim Stecken in jede Richtung auszugleichen. Mithilfe eines zusätzlichen Fangbereichs können die beiden Steckerhälften auch im Falle eines Mitten- oder Winkel versatzes ohne Beschädigung zusammengesteckt werden (Bild 10). Manche Steckverbinder verfügen darüber hinaus über Boardlocks. Darunter versteht man Metallbügel, die am Isolierkörper befestigt sind und ebenfalls auf der Leiterplatte verlötet werden (Bild 11). So sorgen sie zusätzlich für Stabilität – auch unter widrigen Bedingungen wie Vibration und Schock. Bild 8: Mikroskopaufnahme der epteigenen Einpresszone Tcom press Bild 9: Gleichmäßige Meniskusausbildung um den Lötfuß des One27 134 PC & Industrie 9/2022

Elektromechanik Bild 11: Boardlock des One27 Bild 12: Toleranzausgleich des Zero8 in alle Richtungen Bild 10: Der Steckverbinder Zero8 ermöglicht einen Mittenversatz von ±0,7 mm und Winkelversatz von 4° Einflussfaktor Toleranzbereich Der Toleranzbereich eines Steckverbinders spielt für die Beurteilung seiner Robustheit eine entscheidende Rolle. Kann der Stecker gegebene Toleranzen nicht ausgleichen, führen mechanische Bewegungen zum Verschleiß oder gar zur Beschädigung der Steckverbindung. Bei der Installation bieten Einführschrägen hier eine Unterstützung, um ein schadloses Stecken von Messer- und Federleiste zu ermöglichen. Doch auch im gesteckten Zustand müssen Mikrobewegungen überbrückt werden. Dies gelingt durch die Kontaktund Isolierkörpergeometrie. Verfügt ein Steckverbinder über eine Floating-Funktion, kann er auch im Betrieb bis zu ±0,4 mm ausgleichen. Diese Funktion gewinnt zunehmend an Relevanz, da sie bei der Bestückung einer Leiterplatte mit mehreren Steckverbindern eine entscheidende Rolle spielt. Im Feld entstehen Belastungen jedoch nicht nur in Bild 13: Übersteckbereich von 1,5 mm und 0,9 mm zusätzliche Kontaktsicherheit beim One27 x- und y-, sondern auch in z-Richtung (Bild 12). Hier stellt sich die Frage nach der Überstecksicherheit eines Steckverbinders. Sie beschreibt den Überlappungsbereich von Messer- und Federleiste und ermöglicht damit nicht nur unterschiedliche Leiterplattenabstände, sondern – je nach Größe dieses Bereichs – auch Toleranzbereiche (Bild 13). Maximale Toleranzausgleiche gelingen hingegen mittels Kabelverbindung. Hier entscheidet die Länge des Kabels über den Toleranzbereich der Steckverbindung. Prüfverfahren Um Steckverbinder hinsichtlich ihrer Robustheitseigenschaften auf Herz und Nieren zu testen, gibt es verschiedene Prüfverfahren. Dabei werden Variablen wie die Spannungsfestigkeit und der Übergangswiderstand jeweils vor und nach einem Belastungstest betrachtet und der Zustand der Kontakte optisch inspiziert. So können beispielsweise die Auswirkungen von 500 Steckzyklen auf die Spannungsfestigkeit überprüft oder im klimatischen Test festgestellt werden, ob sich mehrere Stunden bei zunächst -55 °C und anschließend 125 °C negativ auf den Übergangswiderstand des Steckverbinders auswirken. Beim Temperatur- Schock-Test muss der Stecker den schnellen Wechsel zwischen diesen Extremtemperaturen 100-mal für je 30 Minuten aushalten. Und auch der Mitten- und Winkelversatz beim Stecken, ebenso wie der Toleranzbereich im gesteckten Zustand, sollten nicht nur am CAD-Modell in der Theorie überprüft, sondern in der Praxis ausgiebig getestet und die Belastbarkeit empirisch bestätigt werden. Ebenso wichtig ist es, dass verschiedene Prüfungen, die für die Kontakt oberfläche kritisch sind, auch kombiniert durchgeführt werden, um Realbedingungen zu simulieren. So könnte beispielsweise Steck zyklen- und Schadgastests in Kombination erfolgen, um sicherzustellen, dass sich die Leistung des Steckverbinders hinsichtlich Übergangswiderstand und Spannungsfestigkeit nicht verschlechtert hat und die Kontakte keinen Schaden genommen haben (Bild 14). Wichtige Fragen Je nach Anforderung der Anwendung fallen unterschiedliche Robustheitskriterien an, die ein Steckverbinder erfüllen muss. Muss er beispielsweise hohe Toleranzen ausgleichen? Ist er großen Schockbelastungen oder Vibrationen ausgesetzt? Kommt er unter der Einwirkung von starker Hitze- oder Kältezufuhr zum Einsatz? Oder muss die Anschlusslösung vor Feuchtigkeit, Schadgasen oder Schmutz geschützt sein? Orientiert sich ein Anwender bei der Wahl seiner Anschlusslösung an diesen Fragen, kann er sich sicher sein, dass sein Steckverbinder für den Feldeinsatz bestens gewappnet ist. ◄ Bild 14: Unbeschädigte Kontakte des Zero8 Socket nach bestandener Steckzyklen-Schadgas-Testung PC & Industrie 9/2022 135